楊坤 張海峰 謝宜斌

為尋找高速列車(chē)主要噪聲源并提出解決方案，本文基于可穿透積分模型進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算得出轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)貢獻(xiàn)量，仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：300km/h速度級(jí)下轉(zhuǎn)向架的噪聲貢獻(xiàn)量高達(dá)98.76%；速度增大轉(zhuǎn)向架對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)比例越大，車(chē)身的噪聲貢獻(xiàn)比例相對(duì)降低。

高速鐵路的噪聲中電弧噪聲、輪軌噪聲、氣動(dòng)噪聲占總噪聲量的90%以上，而當(dāng)列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)，空氣動(dòng)力噪聲逐漸趨向主導(dǎo)地位。歷年來(lái)，研究者們對(duì)噪聲的測(cè)量手段不斷變化。1955年Curle成功解決了圓柱漩渦脫體誘發(fā)的噪聲等問(wèn)題。1969年，F(xiàn)fowcs Williams和Hawking提出FWH方程成為解決噪聲輻射問(wèn)題的有效工具。國(guó)內(nèi)外研究表明轉(zhuǎn)向架區(qū)域是車(chē)輛噪聲的主要噪聲源，而且隨列車(chē)速度增大轉(zhuǎn)向架的噪聲逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，本文將結(jié)合聲學(xué)積分方法與CAA/CFD數(shù)值模擬匹配的應(yīng)用，通過(guò)人工構(gòu)建可穿透的假想封閉邊界，提取近場(chǎng)輸入的流場(chǎng)脈動(dòng)信息，利用遠(yuǎn)場(chǎng)聲學(xué)等效近場(chǎng)聲學(xué)的手段，得出近場(chǎng)聲學(xué)噪聲值，然后計(jì)算轉(zhuǎn)向架噪聲在其中所占比例。

一、可穿透積分模型計(jì)算

本章采用CRH2單車(chē)身模型、帶轉(zhuǎn)向架模型2種模型，針對(duì)明線單車(chē)200km/h、300km/h速度進(jìn)行數(shù)值仿真，做網(wǎng)格劃分，模型最小網(wǎng)格線尺度0.001m，總網(wǎng)格數(shù)約870萬(wàn)（圖1）。

圖1 計(jì)算網(wǎng)格

在列車(chē)周?chē)銐蜻h(yuǎn)的位置人工構(gòu)建可穿透半徑15m的圓柱形假想封閉邊界，提取的圓柱體網(wǎng)格點(diǎn)上的流場(chǎng)脈動(dòng)信息，采用FW-H模型得到遠(yuǎn)場(chǎng)的噪聲結(jié)果，分析轉(zhuǎn)向架對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)?？紤]地面聲反射效應(yīng)，近似取地面反射系數(shù)為1，利用鏡面反射模型描述地面上聲傳播的半無(wú)限空間模型，因此本文采用半圓柱形簡(jiǎn)化模式。在下面的數(shù)值計(jì)算中，均采用這種積分邊界和網(wǎng)格形式，邊界積分單元16899個(gè)，積分節(jié)點(diǎn)24282個(gè)（圖2）。

圖2 簡(jiǎn)化的可穿透積分邊界的積分網(wǎng)格和脈動(dòng)信息

針對(duì) 200km/h、300km/h速度級(jí)下 CRH2單車(chē)身模型在距離軌線中心30m的位置安放積分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到測(cè)點(diǎn)聲級(jí)分別為84.44dBA、92.86dBA，為得到實(shí)際距離下距離車(chē)體4m遠(yuǎn)，高1.2m處噪聲的測(cè)量值，需要將30m距離等效到4m距離，即噪聲級(jí)增加17.5dBA（20lg7.5），從而得到觀測(cè)點(diǎn)（4m，1.2m）處的A聲級(jí)分別為101.94dBA、110.36dBA。同理針對(duì)200km/h、300km/h速度級(jí)下 CRH2帶轉(zhuǎn)向架模型，在距離軌線中心20m的位置安放積分監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲級(jí)分別為91.38dBA、101.88dBA，等效（4m，1.2m）處的A聲級(jí)分別為105.38dBA、115.88dBA（圖3-6）。

圖3 200km/h速度單車(chē)身模型時(shí)域圖

圖4 300km/h速度單車(chē)身模型時(shí)域圖

圖5 200km/h速度轉(zhuǎn)向架模型時(shí)域圖

圖6 300km/h速度轉(zhuǎn)向架模型時(shí)域圖

二、轉(zhuǎn)向架氣動(dòng)噪聲貢獻(xiàn)分析

N個(gè)聲源的總聲壓級(jí)應(yīng)為：

現(xiàn)在將車(chē)身和轉(zhuǎn)向架視為兩個(gè)噪聲源，則200km/h速度級(jí)下，二者在4m處觀測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的總聲壓級(jí)為105.38 dB(A)，單車(chē)身產(chǎn)生的噪聲級(jí)為101.94 dB(A)，帶入公式得到200km/h速度級(jí)下轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的噪聲級(jí)：

同理可得300km/h速度級(jí)下轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的噪聲級(jí)：

200km/h速度級(jí)下，車(chē)身+轉(zhuǎn)向架總噪聲級(jí)105.38dBA，車(chē)身噪聲級(jí)101.94dBA，轉(zhuǎn)向架噪聲級(jí)102.76dBA，車(chē)身噪聲貢獻(xiàn)比例96.73%，轉(zhuǎn)向架噪聲貢獻(xiàn)比例97.51%。300km/h速度級(jí)下，車(chē)身+轉(zhuǎn)向架總噪聲級(jí)115.88dBA，車(chē)身噪聲級(jí)110.36dBA，轉(zhuǎn)向架噪聲級(jí)114.45dBA，車(chē)身噪聲貢獻(xiàn)比例95.23%%，轉(zhuǎn)向架噪聲貢獻(xiàn)比例98.76%（表1）。

表1 不同速度級(jí)下車(chē)身和轉(zhuǎn)向架噪聲貢獻(xiàn)率

三、結(jié)語(yǔ)

本文將車(chē)身和轉(zhuǎn)向架分別作為噪聲源進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算200km/h和300km/h速度級(jí)下CRH2車(chē)單車(chē)身模型、帶轉(zhuǎn)向架模型的噪聲，計(jì)算車(chē)身和轉(zhuǎn)向架對(duì)于整車(chē)的噪聲貢獻(xiàn)比，得出以下結(jié)論：（1）轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲級(jí)比車(chē)身產(chǎn)生的氣動(dòng)噪聲級(jí)大；（2）隨著速度的增加，轉(zhuǎn)向架對(duì)氣動(dòng)噪聲的貢獻(xiàn)比例從97.51%增大到98.76%，車(chē)身的噪聲貢獻(xiàn)比例從96.73%降低到95.23%。說(shuō)明速度增加后，轉(zhuǎn)向架產(chǎn)生氣動(dòng)噪聲比例逐漸提高，轉(zhuǎn)向架成為主要噪聲源，因此優(yōu)化轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)比優(yōu)化車(chē)體所達(dá)到的降噪效果更為理想的。